基于分區(qū)壓邊技術(shù)的鋁合金方盒形件拉深技術(shù)研究＊

張紅升 秦泗吉 張婷婷

（①燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004；②燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北省水體重金屬深度修復(fù)與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004）

隨著能源日趨緊張以及技術(shù)的迅速發(fā)展，輕量化逐漸成為汽車(chē)、飛機(jī)等行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。而鋁合金具有比重輕、強(qiáng)度高、韌性好和抗腐蝕性能較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1?2]，是上述行業(yè)制造的首選的覆蓋件材料。此類零件外形復(fù)雜，成形板料厚度較小主要通過(guò)板料拉深技術(shù)成形制造。但是鋁合金成形性能較差，比普通鋼板更容易出現(xiàn)缺陷，如更嚴(yán)重的起皺傾向，起皺與開(kāi)裂之間的窗口更窄，回彈量大，零件精度控制困難，更容易產(chǎn)生“桔皮”缺陷等[3]。尤其控制皺紋和開(kāi)裂是拉深成形工藝中的重中之重[4]。對(duì)于已確定設(shè)計(jì)參數(shù)的拉深制件，在進(jìn)入實(shí)際制造階段時(shí)，原材料、沖壓模具、板坯和拉深件的尺寸形狀、摩潤(rùn)滑條件和拉深速度等都已確定，而壓邊力通常是唯一可控可變的工藝參數(shù)[5-6]。

多年來(lái)，大量研究人員針對(duì)壓邊力的施加方法和作用方式等開(kāi)展了大量的研究。Siegert K[7]首次將多點(diǎn)壓邊技術(shù)引入成形領(lǐng)域。借助多點(diǎn)壓邊系統(tǒng)，在板坯的不同法蘭區(qū)域施加與之匹配的壓邊力值，從而獲得不同的摩擦力，實(shí)現(xiàn)在法蘭區(qū)各位置實(shí)現(xiàn)壓邊力的單獨(dú)控制，極大地提高了成形極限。秦泗吉等[8]針對(duì)軸對(duì)稱拉深成形設(shè)計(jì)了應(yīng)用多點(diǎn)壓邊的拉深模具，顯著提高了成形極限。余海燕等[9]基于盒形件的拉深開(kāi)發(fā)了多點(diǎn)變壓的壓邊力控制系統(tǒng)，可以針對(duì)法蘭不同的周向區(qū)域分別壓邊。研究結(jié)果表明通過(guò)對(duì)不同法蘭區(qū)域施加合理的變壓邊力，可以控制各區(qū)域板坯材料的合理流動(dòng)，有效改善板坯拉深的成形性能。Zheng L H等[10]研發(fā)了一種新型的多點(diǎn)壓邊力加載系統(tǒng)，通過(guò)個(gè)性化的壓邊力控制，可以極大地降低成形件局部的最大減薄量，可以有效地抑制起皺，并提高了板材的成形極限。Murata A[11]采用分區(qū)壓邊方法對(duì)盒形件的拉深成形進(jìn)行了深入研究。通過(guò)沿周向在法蘭直邊區(qū)和圓角位置施加不同的恒壓邊力，可以明顯改善方盒形件的成形性能，提高拉深制件的成形極限。Manable K等[12]更加細(xì)致地將法蘭變形區(qū)劃分的3個(gè)區(qū)域，并使用數(shù)量更多的12塊壓料板對(duì)各個(gè)區(qū)域分別施加相對(duì)獨(dú)立的壓邊力。通過(guò)在不同區(qū)域采用不同的壓邊力行程曲線，并將恒壓邊力和變壓邊力結(jié)合使用，可以個(gè)性化控制各區(qū)域的壓邊力大小和變化，最終進(jìn)一步提高了拉深極限。

本文針對(duì)方盒形件等非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，采用沿徑向不同區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立壓邊力控制的方法，可有效提高盒型件的成形質(zhì)量。新工藝對(duì)改進(jìn)現(xiàn)有沖壓工藝和成形設(shè)備等方面具有很好的工程應(yīng)用前景。

1 盒形件拉深成形機(jī)理的有限元模擬

采用DYNAFORM數(shù)值模擬軟件對(duì)圖1所示的模型進(jìn)行有限元分析，相應(yīng)的尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型尺寸參數(shù)

圖1 幾何模型尺寸示意圖

因?yàn)楹行渭ㄌm直邊區(qū)和法蘭圓角區(qū)的相互制約和相互影響，所以在相同的拉深條件下，直邊相對(duì)長(zhǎng)度對(duì)盒形件的拉深成形效果會(huì)產(chǎn)生影響。為了相對(duì)準(zhǔn)確地得出盒形件拉深成形的厚度變化規(guī)律，采用不同的直邊長(zhǎng)度和圓角半徑分別進(jìn)行5組有限元分析，建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元網(wǎng)格劃分模型

建立的有限元模型包括板坯、凹模、凸模和壓料板，其中板坯采用圓形輪廓。有限元模型中，采用剛體來(lái)定義凸模、凹模和壓料板等沖壓器具。彈塑性的板坯材料選取鋁合金AA5754，設(shè)其為面內(nèi)同性厚向異性材料，具體的材料屬性見(jiàn)表2。

表2 鋁合金AA5754材料屬性

BT殼單元的計(jì)算效率較高，在保證計(jì)算精度的前提下，有效降低了計(jì)算的復(fù)雜程度，因此被用于模型的網(wǎng)格劃分。不同部件之間的系數(shù)為0.15，施加的壓邊力為4 000 N，拉深高度為30 mm。

圖3給出了不同參數(shù)條件下的盒型件厚度分布圖，其中，盒形件直邊區(qū)長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)角半徑的相對(duì)比值設(shè)為γ。

圖3 法蘭區(qū)厚度有限元結(jié)果示意圖

從圖中可以看出，在γ<0.35時(shí)（圖3a)，法蘭直邊區(qū)和圓角區(qū)有極為相似的厚度分布，徑向方向上，從凹模口到法蘭外緣厚度逐漸增加。當(dāng)直邊相對(duì)長(zhǎng)度較大時(shí)，盒形件法蘭圓角區(qū)與直邊區(qū)的厚度開(kāi)始出現(xiàn)差異。圓角區(qū)厚度從凹模口到法蘭外緣整體有下降的趨勢(shì)，在γ=2（圖3e）時(shí)最明顯。直邊區(qū)的厚度分布從凹模口到法蘭外緣沿徑向依然保持逐漸增大的趨勢(shì)，其中，直邊長(zhǎng)度為50 mm時(shí)最為明顯。

為了更直觀地觀察和分析法蘭區(qū)厚度變化趨勢(shì)，沿法蘭徑向提取各質(zhì)點(diǎn)的厚度值，繪制圖4和圖5所示的曲線。

圖4 圓角區(qū)法蘭厚度分布圖

圖5 直邊區(qū)法蘭厚度分布圖

可以清晰地觀察到，無(wú)論參數(shù)如何調(diào)整，直邊區(qū)的厚度從中心到外緣都是逐漸增加的。當(dāng)直邊長(zhǎng)度為50 mm時(shí)，外緣和凹模口處的厚度差值達(dá)到最大的0.108 mm。而圓角區(qū)，當(dāng)γ=2時(shí)凹模口和外緣之間的厚度差值等大約為0.079 mm。

從模擬結(jié)果可以看出，對(duì)于方盒形件，采用普通壓邊方法時(shí)，壓料板只能作用于厚度較大的質(zhì)點(diǎn)處，而厚度相對(duì)較小的位置不能得到有效的壓邊，從而起皺趨勢(shì)明顯。因此，考慮在徑向上對(duì)壓料板進(jìn)行分塊，分別對(duì)徑向不同質(zhì)點(diǎn)施加壓邊力。

2 新壓邊方法

2.1 徑向分區(qū)壓邊方法可行性的理論推導(dǎo)

法蘭區(qū)起皺，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是塑性壓縮失穩(wěn)問(wèn)題，本節(jié)基于能量法對(duì)傳統(tǒng)壓邊方法和新壓邊方法進(jìn)行研究。拉深過(guò)程中，法蘭在失穩(wěn)臨界狀態(tài)主要有3種能量：

①法蘭失穩(wěn)波紋隆起所需要的彎曲功Uw;

② 法蘭失穩(wěn)后周向應(yīng)力釋放的功Uθ;

③壓邊力所做的功UQ。

在起皺失穩(wěn)臨界狀態(tài)下，滿足Uθ=Uw+UQ。

本節(jié)公式變量注解如表3。

表3 公式變量注解

對(duì)于法蘭圓角區(qū)，屬于軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其法蘭失穩(wěn)波紋隆起所需要的彎曲功Uw表達(dá)式為

法蘭失穩(wěn)后周向應(yīng)力釋放的功Uθ為

對(duì)于傳統(tǒng)的整體壓邊圈，由于厚度最大值位于法蘭外緣處，因此也會(huì)承受絕大部分壓邊力。而內(nèi)部某處由于缺乏有效壓邊，會(huì)產(chǎn)生皺紋的最大高度為y0，假設(shè)外緣處皺紋最大高度為 λy0。

在起皺失穩(wěn)臨界狀態(tài)下，根據(jù)式（1）和式（2）得出，整體壓邊圈作用時(shí)，在前半段皺紋高度處于漸增狀態(tài)，此部分壓邊力做功為

將式（3）和式（4）和在一起，就是整體壓邊圈對(duì)單個(gè)波紋所做的功。

對(duì)于徑向分區(qū)壓邊方法，前半段做功與整體壓邊方法是相同的。而在后半段，其壓邊力做功為：

所以，式（4）與式（5）之間的差值，即為兩種壓邊方法壓邊力做功的差。設(shè)總壓邊力為Q，皺紋個(gè)數(shù)為N，則兩種壓邊方法壓邊力的差為

由于λ始終小于1，則式（5）恒大于零。較小的壓邊力對(duì)應(yīng)的壓邊方法壓邊效果較好。這就說(shuō)明在同樣的皺紋幅值下，徑向分塊壓邊方法總壓邊力總是小于傳統(tǒng)的整體壓邊方法。故而，新壓邊方法既可以有效抑制起皺，還能提高成形極限。

2.2 模具設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)徑向分區(qū)壓邊技術(shù)，設(shè)計(jì)了圖6所示的壓邊裝置。凹模安裝在頂部固定板上，可隨壓力機(jī)滑塊上下移動(dòng)。凸模和壓料板固定在下部組件上，其中壓邊板沿徑向被分成獨(dú)立的幾環(huán)，由聚氨酯橡膠制成的彈性體放置在壓邊板下方，以確保每個(gè)環(huán)可以有效且獨(dú)立地上下移動(dòng)。這樣，可以在拉深過(guò)程，在不同的法蘭徑向區(qū)域施加獨(dú)立的壓邊力BHF。

圖6 徑向分塊壓邊圈拉深模具結(jié)構(gòu)

具體的分區(qū)方法如圖7所示，將單個(gè)整體壓邊圈沿徑向分成內(nèi)外兩環(huán)，每個(gè)單獨(dú)的壓邊環(huán)下邊設(shè)置若干個(gè)由聚氨酯橡膠制成的彈性體。可以通過(guò)改變各區(qū)域彈性體的數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)各區(qū)域之間壓邊力的比值。

圖7 徑向分塊壓邊原理示意圖

通過(guò)此種布置，不同法蘭徑向區(qū)域上所施加的壓邊力是相互獨(dú)立的，內(nèi)部區(qū)域不會(huì)因?yàn)榉ㄌm外緣變厚而導(dǎo)致無(wú)法有效壓邊，在一定程度上改變了壓邊力的徑向分布形式，提高成形質(zhì)量。

3 成形過(guò)程有限元模擬

采用AA5754板坯的模型見(jiàn)圖8，有限元網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖9。所有參數(shù)設(shè)置與前面保持一致。其中，徑向分區(qū)壓邊圈分塊位置為直徑D=150 mm處，外壓邊圈外徑D=220 mm。

圖8 幾何模型

圖9 不同模型的網(wǎng)格劃分圖

基于前面的研究成果，有限元分析中，內(nèi)壓邊圈和外壓邊圈單獨(dú)建模。內(nèi)壓邊圈上施加2 300 N的壓邊力，外壓邊圈施加4 600 N的壓邊力，保持二者比值為1∶2，并且獨(dú)立作用。而整體壓邊模擬中，將6 900 N的壓邊力統(tǒng)一施加在整體壓邊圈上，即不對(duì)壓邊力的分布進(jìn)行控制。

圖10給出了拉深高度為30 mm時(shí)的成形制件。可以看出，在整體壓邊圈作用下，盒型件出現(xiàn)了嚴(yán)重的失穩(wěn)起皺現(xiàn)象，而徑向分區(qū)壓邊圈作用下的制件法蘭區(qū)相對(duì)比較平整。

圖10 盒型件模擬結(jié)果 (壓邊力6.9 kN)

增大壓邊力至40 kN，定理分析兩種壓邊方法作用下的拉深成形件的厚度分布情況，如圖11所示。可以看出，采用徑向分塊壓邊工藝時(shí)，拉深盒形件的法蘭區(qū)板料增厚量比采用整體壓邊時(shí)的小，說(shuō)明徑向分塊壓邊圈對(duì)控制材料的流動(dòng)更有效。

圖11 盒型件模擬結(jié)果 (壓邊力40 kN)

此外，隨著壓邊力的增大，兩種壓邊方法下最大厚度和最小厚度都在減小，但徑向分塊壓邊拉深法蘭的增厚量始終小于整體壓邊方法，材料的減薄量始終大于整體壓邊方法，進(jìn)一步說(shuō)明徑向分塊壓邊方法可更有效地抑制起皺并且提高成形極限。

4 拉深成形實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)是在四柱式萬(wàn)能液壓機(jī)YA32-315上進(jìn)行的,板坯直徑200 mm，厚度1 mm。拉深制件的拉深深高度為30 mm，施加的壓邊力為5.8 kN，其他所有實(shí)驗(yàn)條件與數(shù)值模擬相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 拉深實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，整體壓邊在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了非常明顯的起皺失穩(wěn)現(xiàn)象，而徑向分塊壓邊方法抑制起皺作用明顯。

5 討論

在拉深過(guò)程中施加在法蘭上的壓邊力是用于抑制成形缺陷的重要因素。使用整體壓邊圈時(shí)，壓邊力必須足夠大，以保證中心區(qū)域的板材的起皺趨勢(shì)能夠被有效抑制。但相應(yīng)的，壓邊力過(guò)大也會(huì)增加拉深制件開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

相比之下，因?yàn)槊繅K壓邊圈可以獨(dú)立地施加壓邊力，新的壓邊技術(shù)可以有效地抑制不同的徑向區(qū)域的變形。也就是說(shuō)，當(dāng)采用新的壓邊法獲得更合理的壓邊力分布時(shí)，可以更好地抑制起皺的趨勢(shì)。

本文以非軸對(duì)稱的方盒形件為例，證明了新壓邊方法的有效性。方盒形件包含直邊區(qū)和圓角區(qū)，其中的圓角區(qū)可以看作是軸對(duì)稱的圓筒形件。因此，可以很容易地推斷，新分區(qū)壓邊方法對(duì)使用更為廣泛的、結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單的圓筒形件也是有效的。

本文只基于恒壓邊力對(duì)新壓邊方法進(jìn)行了驗(yàn)證，后續(xù)將與變壓邊力系統(tǒng)結(jié)合，進(jìn)一步研究提升壓邊有效性的方法。

此外，對(duì)于各分區(qū)處所需的臨界壓邊力值，也將是我們后續(xù)工作的重點(diǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）提出了針對(duì)盒型件等非軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)的徑向分區(qū)壓邊方法，采用獨(dú)立設(shè)置的多環(huán)壓邊區(qū)，實(shí)現(xiàn)了壓邊力的獨(dú)立加載。

（2）基于公式推導(dǎo)出壓邊圈沿徑向進(jìn)行分區(qū)處理的理論可行性，奠定了新壓邊方法的理論基礎(chǔ)。

（3）采用有限元數(shù)值模擬和拉深實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)新壓邊技術(shù)的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。相對(duì)于傳統(tǒng)方法,新方法在抑制制件法蘭起皺、提高制件成形效果上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。